Weiterentwicklung einer Methode zur Bestimmung von Atmungsraten in geschüttelten Bioreaktoren

• Improvement of a method for determination of respiration activities in shaken bioreactors

Hansen, Sven; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Das Respiration Activity MOnitoring System (RAMOS) ist ein etabliertes Messgerät zur On-line-Bestimmung von Sauerstofftransferraten (OTR), welches wertvolle Informationen über metabolische Aktivitäten von Mikroorganismen und Zellen in Schüttelkolbenfermentationen liefert. Für sehr schnell wachsende Mikroorganismen liefert die RAMOS-Technik allerdings zu wenige Datenpunkte für den OTR. Daher wird in der vorliegenden Arbeit eine neue, modellbasierte Berechnungsmethode vorgestellt, mit der eine deutlich höhere Datendichte erzeugt und somit auch eine höhere Genauigkeit der OTR Messungen erreicht werden kann. Die konventionelle Methode zur Berechnung der OTR in RAMOS ist nicht geeignet, die Datendichte für den OTR zu erhöhen. Anstatt der Annahme einen Fließgleichgewichtes, berücksichtigt die neue Kalibrierstrategie auch das dynamische Verhalten der Gasphase. Durch die Anwendung der kompletten Sauerstoffbilanz im Gasraum und durch Datenapproximationsmethoden kann eine höherer Datendichte erzeugt werden. Kultivierungen mit E. coli BL21 pRSET eYFP-IL6 haben gezeigt, dass kurze diauxische oder sogar triauxische metabolische Aktivitäten im Vergleich zur konventionellen Auswertung viel detaillierter detektiert werden können. Während Sauerstofflimitierungen konnte ein Abfall der OTR während der Stopppasen, welche auftreten, wenn Ein- und Auslassventile der RAMOS-Kolben geschlossen werden, um die Sensoren zu kalibrieren, detektiert werden. Diese Abfälle spiegeln den reduzierten Sauerstofftransfer aufgrund der Stoppphasen wieder. Im Gegensatz zur konventionellen Methode ist die neue Methode nahezu unabhängig von der im Experiment ausgewählten Anzahl der Stoppphasen. Die neue Berechnungsmethode macht metabolische Aktivitäten sichtbar, die sonst nicht von der konventionellen RAMOS-Methode aufgelöst werden konnten. Die neue Methode führt zu deutlich mehr Datenpunkten und verbessert den Informationsgehalt und die Genauigkeit der Messungen. Weiterhin können kurze Sauerstofflimitierungen anhand eines Abfalls der OTR während der Stoppphase detektiert werden.